Wikipedia

N-vezana glikozilacija

N- vezana glikozilacija – u biohemiji – je vezivanje oligosaharida, ugljikohidrata koji se sastoji od nekoliko molekula šećera, ponekad zvanih i glikani, na atom dušika (amidni dušik asparaginskog (Asn) ostatatka proteina), u procesu koji se naziva N- glikozilacija.[1] Ovaj tip veze je važna i za strukturu[2] i za funkciju[3] mnogih eukariotskih proteina. Proces glikozilacija povezanih sa „N“ javlja se kod eukariota i široko u arheja, ali vrlo rijetko kod bakterija. Priroda N-vezanih glikana za glikoprotein određena je proteinom i ćelijom u kojoj je eksprimiran.[4] Također varira u zavisnosti od vrsta. Različite vrste sintetiziraju različite tipove "N"-vezanog glikana.

Razni tipovi lipid-vezanih oligosaharida (LLO), prekursorskih proizvoda u kod raznih organiama

Energetika stvaranja veze

uredi

U glikoproteinima postoje dva tipa veza: veze između saharidnih ostataka u glikanu i veze između glikanskog lanca i proteinske molekule.

U glikanskom lancu, šećerni dijelovi su međusobno povezani putem glikozidnih veza. Ove veze se obično formiraju između ugljika 1 i 4 molekule šećera. Formiranje glikozidne veze je energetski nepovoljno, pa je reakcija povezana sa hidrolizom dvije molekule adenozin-trifosfata (ATP).[4]

S druge strane, vezivanje ostatka glikana za protein zahtijeva prepoznavanje konsenzus sekvence. N-vezani glikani gotovo su uvijek vezani za dušikov atom bočnog lanca asparagina (Asn) koji je prisutan kao dio Asn–X–Ser /Thr konsenzusne sekvence, gdje je X bilo koja aminokiselina osim prolina (Pro).[4]

U životinjskim ćelijama, glikan vezan za asparagin je gotovo neizbježno N-acetilglukozamin (GlcNAc) u β-konfiguraciji. Ova β-veza slična je glikozidnoj vezi između ostataka šećera u glikanskoj strukturi, kako je gore opisano. Umjesto da se veže za šećernu hidroksil grupu, anomerni ugljikov atom je vezan za amidni dušik. Energija potrebna za ovu vezu dolazi iz hidrolize molekula pirofosfata.[4]

Biosinteza

uredi
 
Put biosinteze N–vezanih glikoproteina: Sinteza N – vezanog glikana počinje u endoplazmatskom retikulumu, nastavlja se u Golgijevom aparatu i završava na plazmamembrani, gdje se nalaze N– vezani glikoproteini ili se izlučuju ili se ugrađuju u plazmamembranu.

Biosinteza N- vezanih glikana odvija se u tri glavna koraka:[4]

  1. Sinteza dolihol-vezanog prekursora oligosaharida
  2. En blokira prijenos prekursora oligosaharida u protein
  3. Prerada oligosaharida

Sinteza, en blok prijenos i početno obrezivanje prekursornog oligosaharida događa se u endoplazmatskom retikulumu (ER). Naknadna obrada i modifikacija oligosaharidnog lanca odvijaju se u Golgijevom aparatu.

Sinteza glikoproteina je stoga prostorno odvojena u različitim ćelijskim odjeljcima. Stoga, tip sintetiziranog "N"-glikana ovisi o njegovoj dostupnosti različitim enzimima prisutnim u tim ćelijskim organelama.

Međutim, unatoč raznolikosti, svi N-glikani se sintetiziraju putem zajedničkog puta sa zajedničkim jezgrom glikanske strukture. Jezgro glikanske strukture se u osnovi sastoji od dva N- acetil glukozamina i tri manozna ostatka. Ovaj jezgarni glikan se zatim dodatno razrađuje i modificira, što rezultira raznolikim rasponom N-glikanskih struktura.

Sinteza prekursorskog oligosaharida

uredi

Proces N-vezane glikozilacije počinje stvaranjem dolihol-vezanog GlcNAc šećera. Dolihol je lipidna molekula od ponavljajućih izoprenskih jedinica. Nalazi se vezan za membranu ER. Molekule šećera su vezani za dolihol putem pirofosfatne veze (jedan fosfat je prvobitno bio povezan s doliholom, a drugi fosfat je došao iz šećernog nukleotida). Lanac oligosaharida se zatim produžava dodavanjem različitih molekula šećera u postupnim vezanjima, kako bi nastao prekursor oligosaharida.

Sastavljanje ovog prekursorskog oligosaharida odvija se u dvije faze: I i II. Faza I se odvija na citoplazmatskoj strani ER, a faza II se na lumenskoj strani ER.

Molekula prekursora, spremna za prijenos u protein, sastoji se od dvije molekule GlcNAc, devet manoza i tri glukoze.

Faza I
Koraci
Lokacija
  • Dva UDP-GlcNAc ostatka vezana su za molekulu dolihola ugrađena u membranu ER. Šećer i dolihol tvore pirofosfatnu vezu.
  • Pet GDP-Man ostataka je vezano za GlcNAc disaharid. Ove korake izvodi glikoziltransferaza.
  • Proizvod: Dolichol-GlcNAc 2–Man 5
||
Citoplazmatska strana ER
U ovoj tački, lipidno povezani glikan je translociran preko membrane što ga čini dostupnim enzimima u lumenu endoplazmatskog retikuluma. Ovaj proces translokacije još uvijek je slabo shvaćen, ali se predlaže da ga izvodi enzim poznat kao flipaza.
Faza II
* Rastući glikan je izložen na lumenskoj strani membrane ER i dodaju se sljedeći šećeri (4 manoze i 3 glukoze). Dol-P-Man

je donor ostataka manoze (formacija: Dol-P + GDP-Man → Dol-P-Man + GDP), a Dol-P-Gluc je donor ostatka glukoze (formacija: Dol-P + UDP-Glc → Dol-P-Glc + UDP).

  • Ovi dodatni šećeri transportuju se u lumen iz citoplazme ER-a, preko vezivanja za molekulu dolihola i naknadnom translokacijom u lumen, uz pomoć enzima flipaza. (Za translokaciju više šećera odjednom koriste se različiti dolikoli u membrani).
  • Proizvod: Dolichol - GlcNAc2–Man9-Glc3
||
Lumenska strana ER

Funkcija

uredi

N-vezani glikani imaju unutrašnje i vanjske funkcije.[4][5]

Unutar imunskog sistema, N-vezani glikani na površini imunske ćelije pomažu diktirati taj obrazac ćelijske migracije, npr. imunske ćelije koje migriraju na kožu imaju specifične glikozilacije koje pogoduju prelasku na to mjesto.[6] Obrasci glikozilacije na različitim imunoglobulinima, uključujući IgE, IgM, IgD, IgA i IgG, daju im jedinstvene efektorske funkcije promjenom njihovog afiniteta za Fc i druge imunske receptore.[6] Glikani mogu biti uključeni i u diskriminaciju "sebe" i "ne sebe", što može biti relevantno za patofiziološke poremećaje različitih autoimunskih bolesti.[6]

Funkcije N-vezanih glikana
Unutrašnji
  1. Obezbjeđivanje strukturnih komponenti ćelijskog zida i vanćelijskog matriksa.
  2. Promijene svojstava proteina, kao što su stabilnost i topljivost [7] (stabilniji na visoku temperaturu, pH itd.).
Vanjski
  1. Usmjeravanje prometa glikoproteina.
  2. Posredovanje ćelijske signalizacije (interakcija ćelija – ćelija i ćelija – matriks).

U nekim slučajevima interakcija između N-glikana i proteina stabilizira protein putem složenih elektronskihe efekata.[8]

Klinički značaj

uredi

Promjene u N- vezanoj glikozilaciji povezane su s različitim bolestima, uključujući reumatoidni artritis,[9] dijabetes tipa 1,[10] Crohnobvu bolest,[11] i karcinome.[12][13]

Mutacije u 18 gena uključenih u N-vezanu glikozilaciju rezultiraju raznim bolestima, od kojih svećina odnosi na nervni sistem.[3][13]

Značaj u terapijskim proteinima

uredi

Mnogi terapijski proteini na tržištu su antitijela, koja su N-vezani glikoproteini. Naprimjer, Etanercept, Infliximab i Rituximab su N-glikozilirani terapijski proteini.

 
Razlika između glikana koji proizvode ljudskih i životinjskih ćelija. Ljudskim ćelijama nedostaje Neu5Gc kapa.

Važnost N-vezane glikozilacije postaje sve evidentnija na području lijekova.[14] Iako bakterijski ili kvasni sistemi u proizvodnji proteina imaju značajne potencijalne prednosti, npr. visok prinos i niska cijena, problemi nastaju kada je protein od interesa glikoprotein. Većina prokariotskih ekspresijskih sistema, poput E. coli ne može izvesti posttranslacijske modifikacije. S druge strane, eukariotski ekspresijski domaćini, kao što su kvasci i životinjske ćelije, imaju različite obrasce glikozilacije. Proteini proizvedeni u ovim ekspresijskim domaćinima često nisu identični ljudskim proteinima i stoga uzrokuju imunogene reakcije kod pacijenata. Naprimjer, S. cerevisiae (kvasac) često proizvodi imunogene glikane s visokom razinom manoze.

Sistemi ekspresije sisara koji nisu ljudski, poput CHO ili ćelija NS0 imaju potrebne mehanizme za dodavanje složenih glikana ljudskog tipa. Međutim, glikani proizvedeni u ovim sistemima mogu se razlikovati od glikana proizvedenih u ljudi, jer se mogu zatvoriti N-glikolilneuraminskom (Neu5Gc) i N- acetilneuraminskom kiselinom (Neu5Ac), dok ljudske ćelije proizvode samo glikoproteine koji sadrže N-acetilneuraminsku kiselinu. Nadalje, životinjske ćelije također mogu proizvoditi glikoproteine koji sadrže epitop galaktoza-alfa-1,3-galaktoza, koji može izazvati ozbiljne alergijske reakcije, uključujući anafilaksijski šok, kod ljudi koji imaju alergiju alfa-gal.

Ovi nedostaci riješeni su s nekoliko pristupa, poput uklanjanja puteva koji stvaraju te glikanske strukture genetičkim nedostacima. Nadalje, drugi ekspresijski sistemi genetički su projektirani za proizvodnju terapijsih glikoproteina "N"-vezanim glikanima kooji su slični ljudskim. Tu spadaju kvasci poput Pichia pastoris,[15] ćelijske linije insekata, zelene biljke,[16] pa čak i bakterije.

Također pogledajte

uredi

Reference

uredi
  1. ^ "Glycosylation". UniProt: Protein sequence and functional information.
  2. ^ Imperiali B, O'Connor SE (decembar 1999). "Effect of N-linked glycosylation on glycopeptide and glycoprotein structure". Current Opinion in Chemical Biology. 3 (6): 643–9. doi:10.1016/S1367-5931(99)00021-6. PMID 10600722.
  3. ^ a b Patterson MC (septembar 2005). "Metabolic mimics: the disorders of N-linked glycosylation". Seminars in Pediatric Neurology. 12 (3): 144–51. doi:10.1016/j.spen.2005.10.002. PMID 16584073.
  4. ^ a b c d e f Drickamer K, Taylor ME (2006). Introduction to Glycobiology (2nd izd.). Oxford University Press, USA. ISBN 978-0-19-928278-4.
  5. ^ GlyGen. "GlyGen glycan structure dictionary". GlyGen. Pristupljeno 1 Apr 2021.
  6. ^ a b c Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, et al. (februar 2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity: a critical review". Journal of Autoimmunity. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.
  7. ^ Sinclair AM, Elliott S (august 2005). "Glycoengineering: the effect of glycosylation on the properties of therapeutic proteins". Journal of Pharmaceutical Sciences. 94 (8): 1626–35. doi:10.1002/jps.20319. PMID 15959882.
  8. ^ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Louis; Powers, Evan T.; Kelly, Jeffery W. (15. 3. 2021). "Stereoelectronic effects in stabilizing protein– N -glycan interactions revealed by experiment and machine learning". Nature Chemistry (jezik: engleski): 1–8. doi:10.1038/s41557-021-00646-w. ISSN 1755-4349. PMC 8102341 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć).
  9. ^ Nakagawa H, Hato M, Takegawa Y, Deguchi K, Ito H, Takahata M, et al. (juni 2007). "Detection of altered N-glycan profiles in whole serum from rheumatoid arthritis patients". Journal of Chromatography B. 853 (1–2): 133–7. doi:10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID 17392038.
  10. ^ Bermingham ML, Colombo M, McGurnaghan SJ, Blackbourn LA, Vučković F, Pučić Baković M, et al. (januar 2018). "N-Glycan Profile and Kidney Disease in Type 1 Diabetes". Diabetes Care. 41 (1): 79–87. doi:10.2337/dc17-1042. PMID 29146600.
  11. ^ Trbojević Akmačić I, Ventham NT, Theodoratou E, Vučković F, Kennedy NA, Krištić J, et al. (juni 2015). "Inflammatory bowel disease associates with proinflammatory potential of the immunoglobulin G glycome". Inflammatory Bowel Diseases. 21 (6): 1237–47. doi:10.1097/MIB.0000000000000372. PMC 4450892. PMID 25895110.
  12. ^ Kodar K, Stadlmann J, Klaamas K, Sergeyev B, Kurtenkov O (januar 2012). "Immunoglobulin G Fc N-glycan profiling in patients with gastric cancer by LC-ESI-MS: relation to tumor progression and survival". Glycoconjugate Journal. 29 (1): 57–66. doi:10.1007/s10719-011-9364-z. PMID 22179780.
  13. ^ a b Chen G, Wang Y, Qin X, Li H, Guo Y, Wang Y, et al. (august 2013). "Change in IgG1 Fc N-linked glycosylation in human lung cancer: age- and sex-related diagnostic potential". Electrophoresis. 34 (16): 2407–16. doi:10.1002/elps.201200455. PMID 23766031.
  14. ^ Dalziel M, Crispin M, Scanlan CN, Zitzmann N, Dwek RA (januar 2014). "Emerging principles for the therapeutic exploitation of glycosylation". Science. 343 (6166): 1235681. doi:10.1126/science.1235681. PMID 24385630.
  15. ^ Hamilton SR, Bobrowicz P, Bobrowicz B, Davidson RC, Li H, Mitchell T, et al. (august 2003). "Production of complex human glycoproteins in yeast". Science. 301 (5637): 1244–6. doi:10.1126/science.1088166. PMID 12947202.
  16. ^ Strasser R, Altmann F, Steinkellner H (decembar 2014). "Controlled glycosylation of plant-produced recombinant proteins". Current Opinion in Biotechnology. 30: 95–100. doi:10.1016/j.copbio.2014.06.008. PMID 25000187.

Vanjski linkovi

uredi
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=N-vezana_glikozilacija&oldid=3557070"